淺析HXD3C型電力機(jī)車電傳動(dòng)系統(tǒng)

劉懷銀 劉懷金

（1.山東職業(yè)學(xué)院，山東濟(jì)南250104；2.山東能源棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司鐵路運(yùn)輸處，山東棗莊277000）

0 引言

目前中國(guó)鐵路運(yùn)能長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，為解決此問(wèn)題，必須選擇采用先進(jìn)的高速、重載交流傳動(dòng)機(jī)車。交流傳動(dòng)電力機(jī)車的核心系統(tǒng)——電傳動(dòng)系統(tǒng)，其主要由牽引變壓器、主變流器、牽引電機(jī)等部分組成。2010年，大連機(jī)車廠研制出了HXD3C型交流傳動(dòng)機(jī)車，它是國(guó)內(nèi)初次采用和帶有列車供電的新型客、貨通用機(jī)車，其最高運(yùn)營(yíng)速度為120 km/h，同時(shí)也是我國(guó)鐵路運(yùn)輸?shù)募毙柢囆汀C(jī)車采用PWM矢量控制等新技術(shù)，盡量考慮對(duì)環(huán)境的保護(hù)，減少維修和保養(yǎng)的工作量。

1 機(jī)車總體主要技術(shù)數(shù)據(jù)

HXD3C型電力機(jī)車采用的是6軸，每根軸的功率1 200 kW，總功率7 200 kW，軸重按25 t和23 t設(shè)計(jì)，不同的軸重是通過(guò)配重的增減來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。HXD3C電力機(jī)車重要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)車重要技術(shù)參數(shù)

2 機(jī)車電傳動(dòng)系統(tǒng)

HXD3C型電力機(jī)車的電傳動(dòng)系統(tǒng)主要由主電路系統(tǒng)、輔助電路系統(tǒng)、DC 600 V列車供電電路、控制電路、制動(dòng)系統(tǒng)控制電路和機(jī)車安全監(jiān)控電路系統(tǒng)組成。下面主要對(duì)主電路系統(tǒng)、輔助電路系統(tǒng)、列車供電電路系統(tǒng)進(jìn)行分析和論述。

2.1 主電路系統(tǒng)

機(jī)車主電路主要由網(wǎng)側(cè)電路、主變壓器、主變流器及牽引電動(dòng)機(jī)等組成。

2.1.1 網(wǎng)側(cè)電路

網(wǎng)側(cè)電路主要由受電弓PG1和PG2、主斷路器MCB、高壓隔離開關(guān)QS1和QS2、高壓電流互感器TV1和高壓電壓互感器TA1、低壓電流互感器TA2、原邊過(guò)流繼電器KC1、高壓接地開關(guān)QS10、避雷器F1～F3、智能型電度表PWH、主變壓器原邊繞組AX及接地裝置EB1～EB6等組成。

受電弓PG1或PG2通過(guò)與接觸網(wǎng)接觸把電流引入機(jī)車，經(jīng)過(guò)25 kV的高壓電纜進(jìn)入車內(nèi)以后，經(jīng)高壓隔離開關(guān)QS1或QS2（高壓柜內(nèi)）和主斷路器的主觸點(diǎn)QF1相連，然后再經(jīng)高壓電流互感器TA1與主變壓器TM1的原邊繞組A端子連接，經(jīng)X端子輸出端流出，在穿過(guò)低壓電流互感器TA2后，通過(guò)6個(gè)并聯(lián)的接地裝置EB1～EB6，經(jīng)輪對(duì)回流至鋼軌。車頂上部設(shè)有兩架受電弓、兩臺(tái)車頂避雷器，安裝于車軸端部的接地裝置有6個(gè)，分別為EB1～EB6，其余的網(wǎng)側(cè)高壓電器均裝于車內(nèi)高壓柜中，從而可以避免高壓電器由于雨雪、風(fēng)沙、粉塵等侵蝕、污染而發(fā)生閃絡(luò)擊穿，降低了維修成本，提高了機(jī)車的可靠性。

2.1.2 主變壓器

機(jī)車主變壓器懸掛在機(jī)車車下中部，下懸式安裝。為延長(zhǎng)變壓器的絕緣壽命，冷卻系統(tǒng)采用了一些特殊的工藝措施，如真空注油、強(qiáng)迫風(fēng)冷等。主變壓器副邊繞組共有10個(gè)，不同于HXD3和HXD3B兩種機(jī)車，其中前面的6個(gè)繞組為1 450 V牽引繞組，需對(duì)兩臺(tái)主變流器供電，后面的4個(gè)繞組中，前兩個(gè)為399 V輔助繞組，后兩個(gè)為860 V供電繞組，分別用于輔助變流器和列車供電柜的供電（僅客運(yùn)方案）。主變壓器的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 主變壓器主要技術(shù)參數(shù)

2.1.3 主變流器和牽引電機(jī)電路

HXD3C電力機(jī)車采用由兩組主變流器UM1、UM2，主變壓器的牽引繞組a1-x1～a6-x6為其供電，主變流器再分別給牽引電動(dòng)機(jī)M1～M3和M4～M6供電。主變流器UM1內(nèi)部可以看作是3個(gè)獨(dú)立的“整流—中間電路—逆變”環(huán)節(jié)（稱為牽引變流器）。

電力機(jī)車牽引變流器的主電路和控制電路相對(duì)獨(dú)立，分別為6個(gè)牽引電機(jī)提供交流變頻電源。當(dāng)一組或幾組發(fā)生故障時(shí)，可通過(guò)TCMS微機(jī)顯示屏，利用觸摸開關(guān)將故障的牽引變流器切除，剩余單元仍可繼續(xù)工作，實(shí)現(xiàn)整車的冗余控制。

四象限整流器是一個(gè)脈沖寬度調(diào)制轉(zhuǎn)換器，控制中間直流電壓的幅值和交變電流相位的轉(zhuǎn)換器都是通過(guò)脈沖寬度控制，因此交流電的電流波形盡可能接近正弦，基波電壓之間的相位差和基波電流在交流側(cè)是接近于零，這就使諧波電流分量得到了限制，同時(shí)提高了機(jī)車的功率因數(shù)。四象限脈沖整流器的功能是向電機(jī)側(cè)逆變器提供2 800 V的匹配直流電源。

中間直流環(huán)節(jié)是四象限整流器和PWM逆變器之間的中間環(huán)節(jié)。中間直流電路主要由中間電壓支持電容、瞬態(tài)過(guò)電壓限制電路和主接地保護(hù)電路組成。HXD3C型電力機(jī)車消除了二次濾波電路，這是由于逆變軟件控制消除了二次諧波電壓的影響，顯著減少了牽引電機(jī)電流脈動(dòng)現(xiàn)象和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)現(xiàn)象。

PWM逆變器由中間直流供電，輸出三相變頻變壓（VVVF）電源供應(yīng)給牽引電動(dòng)機(jī)。根據(jù)控制指令，PWM逆變器可以平穩(wěn)快速地從牽引狀態(tài)切換到制動(dòng)狀態(tài)，反之亦然。在制動(dòng)狀態(tài)下可再生能源反饋到電網(wǎng)（再生制動(dòng)）。所有這些過(guò)程都是由變頻器控制單元實(shí)現(xiàn)的。PWM逆變器采用最新的控制策略，機(jī)車6個(gè)PWM逆變器分別為6個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)提供電源，使整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)最小，在鋼軌表面狀態(tài)較差的情況下獲得最大的粘著利用率。對(duì)于載荷分布不均勻的情況可進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償，而且是通過(guò)PWM逆變器來(lái)控制的，以便使機(jī)車牽引發(fā)揮到最優(yōu)狀態(tài)。

2.2 輔助電路系統(tǒng)

機(jī)車上除牽引電動(dòng)機(jī)之外還有一些輔助電動(dòng)機(jī)等設(shè)備，對(duì)這些輔助電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制主要依靠的就是機(jī)車輔助傳動(dòng)及其控制系統(tǒng)。HXD3C型電力機(jī)車上設(shè)有兩組獨(dú)立的三相輔助電源，這兩套輔助電源是由變流器UA11和UA12、濾波電容、濾波電抗、接觸器、自動(dòng)開關(guān)及對(duì)應(yīng)的輔助機(jī)構(gòu)等組成。

HXD3C電力機(jī)車兩臺(tái)輔助變流器UA11、UA12具有兩種工作方式，分別為變頻變壓（VVVF）和恒頻恒壓（CVCF），在正常情況下，輔助變流器UA11工作按照VVVF方式進(jìn)行，UA12按照CVCF方式進(jìn)行，分別為機(jī)車輔助電動(dòng)機(jī)供電。

輔助變流器由四象限整流器、中間直流電路和逆變器電路組成。輔助變流器采用IGBT元件組成的PWM整流器，IGBT構(gòu)成的逆變器單元是由主變壓器TM1二次側(cè)a7-x7和a8-x8線圈供電，輸出送入輔助濾波柜LC，輔助繞組電壓均為399 V，經(jīng)過(guò)輸出接觸器向各類輔助電動(dòng)機(jī)供電。恒頻恒壓變流器和變頻變壓輔助變流器的輸出容量均為230 kVA。為降低諧波分量和對(duì)輔助變流器輸出PWM波進(jìn)行濾波，則采用LC輔助濾波柜，輸出近似正弦波的三相交流電，向各類輔機(jī)供電。

輔助變流器UA11的輸出，主要給牽引風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)MA11、MA12和冷卻塔風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)MA13、MA14供電。UA12輔助變流器的輸出，主要給MA19/MA20（空壓機(jī)電機(jī)）、MA21/MA22（主變壓器油泵）、M23/M24（車體通風(fēng)機(jī)）、EV11/EV12（司機(jī)室空調(diào)）、WP1/WP2（用來(lái)冷卻的主變流器水泵）、APBM1/APBM2（輔助變流器風(fēng)機(jī)）供電，同時(shí)輔助變流器UA12還經(jīng)過(guò)隔離變壓器AT1，分別向司機(jī)室內(nèi)的輔助加熱設(shè)備、衛(wèi)生間及壓縮機(jī)加熱回路以及低溫預(yù)熱設(shè)備提供AC 220 V和AC 110 V交流電源。

2.3 客運(yùn)狀態(tài)下的列車供電電路系統(tǒng)

為滿足機(jī)車牽引客運(yùn)車輛的需要，機(jī)車上設(shè)有DC 600 V供電電路。該電路主要由兩個(gè)DC 600 V電源柜LG1、LG2和供電連接器XSA2～XSA5組成。其輸入電源分別由主變壓器的兩個(gè)輔助繞組a9-x9和a10-x10供電，經(jīng)過(guò)整流單元整流，在得到供電允許指令后可向客車車輛輸出DC 600 V電源。

列車供電柜的電路分為主電路、輔助電路、控制電路和電子電路四個(gè)部分。額定交流電壓860 V從151/161、152/162端輸入，通過(guò)電源柜中的濾波電抗器和柜中的濾波電容，輸出直流電壓為600 V。整流橋的交流側(cè)與電阻、電容、壓敏電阻組成的過(guò)電壓吸收電路和控制同步變壓器并聯(lián)。同時(shí)，在交流側(cè)有元件擊穿短路時(shí)，快速熔斷器能快速熔斷保護(hù)裝置，使主電路斷開，避免故障進(jìn)一步擴(kuò)大。電壓傳感器3SV和5SV分別為控制箱A組和B組提供電壓反饋信號(hào)。

列車電源柜采用功率元件整流器和直流負(fù)載電阻及交流電阻容量保護(hù)，工作時(shí)發(fā)熱，此時(shí)需要進(jìn)行冷卻通風(fēng)。柜內(nèi)設(shè)置有一臺(tái)三相交流380 V通風(fēng)機(jī)，對(duì)柜內(nèi)發(fā)熱元件進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷。當(dāng)通風(fēng)機(jī)斷路器未閉合時(shí)，不允許列車供電柜投入工作，以免損壞器件。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)HXD3C型電力機(jī)車的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，介紹了電力機(jī)車交流傳動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)成、工作原理和過(guò)程，可為機(jī)車的運(yùn)用、檢修和整備等提供可靠的技術(shù)支持。

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